多源互补生活热水热源系统在酒店节能中的应用研究

李 宁，李恺渊，王 建

(1.国网 (杭州) 综合能源服务有限公司，浙江 杭州 310020;2.杭实综合能源科技 (杭州) 有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

杭州作为世界级的旅游城市，拥有着数量众多各种等级的酒店。随着对能耗总量及强度“双控”要求及浙江省饭店单位综合能耗限额政策的实施，节能降耗已经成为酒店行业必须重视的问题。

生活热水系统是酒店必不可少的重要设施，其运行水平直接影响到客人的入住体验，通常采用燃气锅炉(蒸汽锅炉、常压热水锅炉或冷凝真空热水锅炉等)作为热源。对于杭州的酒店，生活热水耗气量基本与冬季采暖耗气量相当，约占酒店燃气总耗量的三分之一。燃气锅炉直接消耗一次能源，热效率一般为80 %～90 %，且随着时间的推移，效率逐步降低，能耗逐年升高。在近些年的改造中，对废热余热的回收利用已成为生活热水系统节能的重要措施，如利用空气源热泵回收洗衣房、地下车库、厨房冷库外机、换热间、锅炉房内的废热；利用水源热泵回收冷凝水、冷冻水中的余热；利用换热器回收锅炉烟气、冷凝水中的余热等。余热、废热资源千差万别，与酒店的设备配置、经营情况及运维管理密切相关，因此需结合实际情况针对性地制定方案。

酒店生活热水热源系统的构建或改造需从热源结构上分析和论证，还必须考虑到太阳能及空气源热泵受到季节等自然气候影响的特性：如杭州“黄梅天”或连续阴雨雪的时段，太阳能几乎不能加热；而对于空气源热泵系统而言，全年大部分时段均表现出高效节能的优势，但在冬季低温高湿环境中会频繁结霜化霜，系统效率大大降低，甚至不能正常运行，出于稳定性考虑，通常情况下需要增大空气源热泵系统的容量配置或采用电加热补充。综上所述，提出了一种太阳能+空气源热泵(室外放置)+冷凝锅炉的多源互补系统方案。

1 加热热源

生活热水热源形式多种多样，可根据酒店的实际情况予以利用，但首先需要从热源系统结构上做一定的考虑，合理的能源结构是节能运行的基础。

1.1 燃气锅炉

燃气锅炉通过燃烧化石能源释放热量加热热水，其运行稳定可靠，但需要消耗宝贵的天然气资源。蒸汽锅炉一般效率约为80 % (逐年下降)，产出蒸汽0.4～0.8 MPa，运行中存在爆炸风险；承压热水锅炉的效率约为90 % (逐年下降)，产出60～90 ℃热水，运行中存在爆炸风险；常压热水锅炉的效率约为82 % (逐年下降)，产出60～90 ℃热水，运行较为安全；真空热水锅炉效率约为92 % (衰减小)，出水温度60～90 ℃，运行安全性高；新型冷凝锅炉可以进一步获得烟气冷凝水中的热量，效率会提高一些，约为103 % (衰减小)，出水温度60～80 ℃，排烟温度甚至可降至约70 ℃，运行安全性高。

1.2 空气源热泵

随着热泵技术的发展，空气源热泵在供热采暖方面得到越来越广泛的应用，也逐渐成为酒店生活热水的重要热源系统，但是室外放置的空气源热泵机组受环境影响较大：室外温度低，则热泵的效率较低，产热量及出水温度均有明显的下降，严重时甚至不能满足热水需求；在一定相对湿度及温度条件下，蒸发器侧会不断结霜除霜，目前除霜的方式有很多，但均是以牺牲效率或增加能耗为代价，结霜除霜周期内，机组产热量及效率下降，相对能耗上升。

根据日本学者对不同空气源热泵测试得出的结论，室外相对湿度和干球温度是热泵结霜的重要因素，室外温度在-12.8～5.8 ℃之间，相对湿度大于67 %时，热泵发生结霜；在室外温度小于-12.8 ℃时，由于空气中绝对含湿量较低，不发生结霜；在相对湿度小于67 %时，由于空气露点温度低于室外换热器表面温度，也不发生结霜。某空气源热泵机组性能曲线(见图1)显示，室外温度在-5～10 ℃的区间内，热泵机组的参数变化较大，制热量及制热性能随着温度的降低存在比较明显的下降。

图1 某空气源热泵机组性能曲线

杭州地处长江中下游区域，属夏热冬冷地区，夏季高温高湿、冬季低温高湿。杭州地区全年逐日干球温度和杭州地区全年逐日相对湿度如图2、3所示。

图2 杭州地区全年逐日干球温度

图3 杭州地区全年逐日相对湿度

结合以上热泵机组性能及室外气候环境的分析发现，杭州地区12月至次年2月的大部分时段，热泵机组均处在结霜区域，热泵的产热量及效率下降较大。因此如为了满足冬季时段热水加热要求，需将空气源热泵机组配置容量加大，但即便如此，在某些时段内也会出现供应不足的情况，因此需增加辅助加热系统。

杭州地区12月至次年2月，平均气温约为5 ℃，最低气温低于0 ℃，近年的极端低温可达-10 ℃，大部分时段在0～5 ℃区间波动，相对湿度大部分时段高于60 %。

1.3 太阳能

太阳能系统加热能耗几乎为零，是酒店热水热源的重要节能措施，但太阳能集热系统存在成本较高、安装受场地限制、集热过程受天气影响严重、连续阴雨雪天气不能加热等劣势，从理论上说太阳能热水系统不能作为酒店热水的稳定热源使用，需要增加辅助热源。太阳能热水系统辅助热源的加热能力应按照不计太阳能集热器供热能力的常规热水系统计算，即太阳能可作为降低系统运行能耗的方式，但不能作为稳定热源，在热源系统配置方面，即使太阳能热泵计算容量可以满足需求，但仍需全负荷配备其他加热热源。

杭州地区的太阳辐射随季节大致呈一定规律变化(见图4)，夏季辐射量高，冬季辐射量低，年总辐射量约为4 300 MJ/m2，日照年平均为5 h/日，总日照1 819.9 h，太阳能热水保证率低于40 %，属于太阳能辐射资源一般区域。

图4 杭州地区太阳日总辐射随季节变化趋势

2 多源互补系统

2.1 热源构成

为最大程度地降低生活热水热源部分的能耗，同时保证热水的供应，采用太阳能+空气源热泵+冷凝锅炉的多热源互补热源作为生活热水的加热热源。太阳能光热系统加热生活热水的能耗几乎为零(不计循环水泵能耗），因此在场地允许的条件下，综合考虑投资等因素，尽量大地配置太阳能热水系统，以减少加热能耗。空气源热泵理论上可以作为全年生活热水的稳定热源使用，但若单独采用空气源热泵，则需设置辅助加热设备，以保证在特殊温湿度条件下的正常供应，也势必会加大系统配置及运行能耗，因此按照室外日平均温度大于10 ℃配置空气源热泵系统，以保证系统的运行效率及可靠性；在室外日平均温度小于10 ℃时，空气源热泵的性能下降较大，在此部分时段内，按照冬季最不利温度对空气源热泵各参数进行校核，测算热水供热能力，不足部分采用冷凝锅炉补充。

2.2 开式系统

太阳能加热系统采用双水箱形式，分别设置加热水箱和储热水箱(与生活热水储热水箱共用)。由于在一天内太阳能加热也具有明显的波动性，一般上午时段水温逐渐升高，至中午加热到设定温度，此时打开供水泵将热水补至生活热水储水箱，若因天气原因水温一直较低，中午过后水温仍不能升至设定温度，则补至空气源热泵加热水箱中进行二次加热。

如图5所示，空气源热泵与冷凝锅炉串联，按梯级分别对生活热水进行加热，生活热水回水及冷水补水首先进入空气源热泵加热水箱中加热，一般情况下，除冬季外，水箱水温可加热至设定温度，加热水箱与储热水箱通过管道联通，热水自然进入热水储水箱中，再通过变频供水泵送至用水末端。太阳能热水加热水箱及空气源热泵加热水箱分别设置冷水补水。太阳能加热循环按照自身逻辑运行，当水箱水温达到设定温度后，开启变频供水泵供至热水储水箱中。空气源热泵的运行以空气源热泵加热水箱中的水温为控制条件，当水温小于设定温度时开始加热，当水温大于设定温度后停止运行；冷凝锅炉运行控制以储热水箱的水温为控制条件，当水温小于设定温度时开始加热，当水温大于设定温度后停止运行。

图5 多源互补生活热水热源系统(开式系统)

2.3 闭式系统

由于太阳能加热在一天中存在较为明显的时段性和不均衡性，同时闭式系统需根据不同的压力分区设置加热设备，因此仅将太阳能加热的热水作为生活热水系统的补水加以利用。太阳能加热同样采用双水箱设置，太阳能集热器及加热水箱自成系统，当水温加热至设定温度后由不同扬程的供水泵根据需求补充至不同压力分区的热水储水罐中以供使用。

如图6所示，空气源热泵与冷凝锅炉串联加热，生活热水回水及冷水补水进入空气源热泵加热罐中，空气源热泵加热温度较低的补水及回水，提高其运行效率，水加热后在补水压力的推动下进入储热罐中，随后供至用水末端。除冬季以外，空气源热泵均可满足加热需求，无需冷凝锅炉加热，如热水储水罐中的水温不能满足需求，则启动冷凝锅炉加热。

图6 多源互补生活热水热源系统(闭式系统)

太阳能热水加热水箱及空气源热泵加热罐需分别设置冷水补水，开式水箱按照太阳能热水循环控制逻辑补水，加热罐根据实时压力变化补水。太阳能加热循环按照自身逻辑运行，当水箱水温达到设定温度后，开启供水泵供至储水罐中。空气源热泵的运行以空气源热泵加热水罐的水温为参数，当水温小于设定温度时开始加热，当水温大于设定温度后停止运行；冷凝锅炉运行控制以储热水罐的水温为参数，当水温小于设定温度时开始加热，当水温大于设定温度后停止运行。

3 结束语

依据当地的气候特点及酒店热水需求，在综合考虑太阳能、空气源热泵及冷凝锅炉各自优势的基础上，给出了三种热源的配置组合方案并分析了系统的运行控制策略，可实现热源的综合利用，最大化地节能降耗及不利气候条件下热水的正常制取，为酒店生活热水节能改造提供了一种可行的方案。同时，在具体的改造中还需充分考虑气候变化及实际用水特点进行合理的方案设计和设备配置，尤其是空气源热泵、冷凝锅炉及各水箱的容量配置需结合实际需求进一步分析计算，最佳的适配是多源互补热源系统成功实施的根本保证。